一種MEMS加速度傳感器芯片的結構與制備方法與流程

本發明涉及微機電系統加速度計。具體涉及一種mems加速度傳感器芯片的結構與制備方法。

背景技術：

1、微機電系統(micro-electro-mechanical?systems，簡稱mems)器件，是將微機械結構、微傳感器、微執行器以及控制電路等高度集成在單個或多個芯片上的微型器件或系統。mems微加速度傳感器芯片是專門用來測量加速度量的微型傳感器，在汽車、航空航天、生物醫學、通信、消費電子等多個領域發揮著重要作用。常見的慣性加速度傳感器芯片基于牛頓第二定律，可將其系統簡化為一個包含敏感質量塊和彈簧結構的二階系統，先將加速度量變換為位移量，再通過轉換元件將位移量轉化為電信號，常基于壓電式、電容式和壓阻式等。其中電容式梳齒變間隙式由于具備較高的靈敏度和溫度穩定性是別認為制作高靈敏度度、高溫度范圍加速度傳感器芯片的最佳構型。

2、mems加速度傳感器芯片的可動結構部分(敏感質量塊、移動電極、彈簧)和固定電極均通過錨點結構與襯底相連，這些錨點是加速度傳感器芯片敏感結構與基底的唯一連接點。由于制造工藝、封裝貼片等過程引入的殘余應力和熱應力以及外界的環境溫度變化產生的熱應力等會通過錨點傳遞至加速度傳感器芯片結構，導致結構形變和檢測電容變化，影響傳感器的輸出穩定性。現有技術已有若干方案提升電容式mems加速度傳感器芯片的熱穩定性，但效果仍難以滿足極端高溫環境加速量的探測及高精密測量。因此需要一種方案，進一步提升電容式mems加速度傳感器芯片的熱穩定性(熱穩定性是指mems加速度傳感器芯片性能隨外界溫度變化而保持恒定的能力，更具體一些是指在外界溫度變化下是否能夠保持相對穩定的靈敏度)，減少可動結構部分受熱應力影響而發生的結構形變及導致的檢測電容變化，以使電容式mems加速度傳感器芯片能夠滿足極端高溫環境加速量的探測及高精密測量的需求。

技術實現思路

1、因此，本發明提供一種mems加速度傳感器芯片的結構與制備方法，以提升電容式mems加速度傳感器芯片的熱穩定性，減少可動結構部分受熱應力影響而發生的結構形變及導致的檢測電容變化，以使電容式mems加速度傳感器芯片能夠滿足極端高溫環境加速量的探測及高精密測量的需求。

2、本發明提供一種mems加速度傳感器芯片的結構，包括：傳感器基體，傳感器基體包括：層疊設置的基底層、功能層和敏感結構層；敏感結構層包括敏感質量塊單元，敏感質量塊單元包括主縱梁、敏感質量塊和位于敏感質量塊兩側的若干活動電極；敏感質量塊環繞主縱梁設置，與主縱梁彈性連接；活動電極與敏感質量塊固定連接；敏感結構層還包括位于敏感質量塊兩側的固定電極單元；固定電極單元至少包括向主縱梁延伸的若干固定電極；固定電極單元與基底層固定連接；功能層具有鏤空區和環繞鏤空區的邊緣區，鏤空區在敏感結構層的投影至少覆蓋敏感質量塊單元和固定電極單元；邊緣區固定連接基底層和敏感結構層；活動電極與固定電極構成差分電容結構；敏感質量塊適于在外界施加加速度下沿主縱梁延伸方向發生位移，帶動活動電極發生位移；其中，主縱梁通過主錨點與基底層連接固定；在主錨點沿主縱梁延伸方向的相對兩側還分別設置有主輔助錨點，主縱梁還分別通過主輔助錨點與基底層連接固定；主輔助錨點與主縱梁的連接結構，在敏感質量塊單元的敏感方向的剛度小于非敏感方向的剛度。

3、可選的，主輔助錨點與主縱梁通過主梁解耦梁連接；主輔助錨點的寬度大于主縱梁的寬度；主輔助錨點的主體部與主縱梁的延伸方向垂直；主輔助錨點的主體部的兩端沿主縱梁的延伸方向延伸出部分長度的連接部，連接部通過主梁解耦梁連接主縱梁的端部；主輔助錨點的主體部與基底層連接固定，主輔助錨點的連接部和主梁解耦梁懸空于基底層上；主梁解耦梁適于沿主縱梁的延伸方向發生形變，以使主梁解耦梁連接主縱梁的位置與主輔助錨點的主體部之間的距離在受到熱應力時發生敏感方向的變化。

4、可選的，敏感質量塊在朝向主縱梁的延伸方向的側部設置有彈性構件容置槽，彈性構件容置槽中設置有彈性構件，彈性構件兩端分別連接主縱梁和敏感質量塊，以使敏感質量塊適于在外界施加加速度下沿主縱梁延伸方向發生位移。

5、可選的，彈性構件為折疊梁彈簧；折疊梁彈簧為蛇形折疊結構，沿主縱梁的延伸方向蛇形延伸，一端連接主縱梁的側部，另一端連接敏感質量塊的側部。

6、可選的，敏感質量塊、折疊梁彈簧和活動電極共同構成中心對稱圖形，且中心對稱圖形的對稱中心與主錨點重合；固定電極單元為多個，以主錨點為對稱中心，中心對稱分布；以主縱梁延伸方向為y軸，以垂直y軸且經過主錨點的中心的方向為x軸，敏感質量塊、折疊梁彈簧、活動電極和固定電極單元沿y軸對稱分布，且沿x軸對稱分布；相鄰的活動電極與固定電極構成電容；位于x軸同側的電容并聯連接；位于x軸兩側的電容，在外界施加加速度下的電容變化情況相反。

7、可選的，敏感質量塊和主縱梁設置有若干在厚度方向上貫穿自身的工藝釋放孔；各工藝釋放孔陣列設置，相鄰列的工藝釋放孔錯位排布。

8、可選的，固定電極單元還包括副縱梁；副縱梁與主縱梁平行，通過副錨點與基底層連接固定；固定電極單元在沿副縱梁延伸方向的一側設置有副輔助錨點，副縱梁還通過副輔助錨點與基底層連接固定；副輔助錨點與副縱梁的連接結構，在敏感質量塊單元的敏感方向的剛度小于非敏感方向的剛度。

9、可選的，副輔助錨點與副縱梁通過副梁解耦梁連接；副輔助錨點的寬度大于副縱梁的寬度；副輔助錨點的主體部與副縱梁的延伸方向垂直；副輔助錨點的主體部的兩端沿副縱梁的延伸方向延伸出部分長度的連接部，連接部通過副梁解耦梁連接主縱梁的端部；副輔助錨點的主體部與基底層連接固定，副輔助錨點的連接部和副梁解耦梁懸空于基底層上；副梁解耦梁適于沿副縱梁的延伸方向發生形變，以使副梁解耦梁連接副縱梁的位置與副輔助錨點的主體部之間的距離在受到熱應力時發生敏感方向的變化。

10、可選的，固定電極單元為多個，以主錨點為對稱中心，中心對稱分布；其中，各固定電極單元的副錨點，以主錨點為對稱中心，中心對稱分布，同時，各固定電極單元的副輔助錨點，也以主錨點為對稱中心，中心對稱分布。

11、可選的，副縱梁設置有若干在厚度方向上貫穿自身的工藝釋放孔；各工藝釋放孔陣列設置，相鄰列的工藝釋放孔錯位排布。

12、可選的，敏感結構層還包括鍵合外框；鍵合外框環繞圍設出主體活動空間，敏感質量塊單元和固定電極單元設置于主體活動空間；mems加速度傳感器芯片的結構還包括：上蓋；上蓋包括蓋板，以及突出蓋板一側表面的邊框；邊框與蓋板共同圍出一蓋板活動空間；邊框適于與鍵合外框連接，蓋板活動空間對應主體活動空間，與功能層的鏤空空間共同容置敏感質量塊單元和固定電極單元。

13、可選的，敏感結構層朝向上蓋一側設置有導電介質層，導電介質層至少覆蓋敏感結構單元和固定電極單元；蓋板設置有若干通孔，通孔暴露導電介質層，通孔中填充有導電電極，導電電極連接導電介質層，并在蓋板背向基底層一側表面暴露；通孔的位置對應主錨點和副錨點設置。

14、本發明還提供一種mems加速度傳感器芯片的結構的制備方法，包括以下步驟：形成傳感器基體，包括：提供基底層；在基底層上形成初始功能層；在初始功能層背向基底層一側形成初始敏感結構層；刻蝕初始敏感結構層，形成敏感結構層，包括：形成敏感質量塊單元，敏感質量塊單元包括主縱梁、敏感質量塊和位于敏感質量塊兩側的若干活動電極；敏感質量塊環繞主縱梁設置，與主縱梁彈性連接；活動電極與敏感質量塊固定連接；同時形成位于敏感質量塊兩側的固定電極單元；固定電極單元至少包括向主縱梁延伸的若干固定電極；透過敏感結構層腐蝕功能層，形成鏤空區和環繞鏤空區的邊緣區，鏤空區在敏感結構層的投影至少覆蓋敏感質量塊單元和固定電極單元；邊緣區固定連接基底層和敏感結構層；其中，刻蝕初始敏感結構層，形成敏感結構層的步驟還包括：形成主縱梁與基底層連接固定的主錨點；在主錨點沿主縱梁延伸方向的相對兩側分別形成主輔助錨點，主縱梁還分別通過主輔助錨點與基底層連接固定；主輔助錨點與主縱梁的連接結構，在敏感質量塊單元的敏感方向的剛度小于非敏感方向的剛度。

15、可選的，刻蝕初始敏感結構層，形成敏感結構層的步驟中，包括：在敏感結構層背向基底層一側形成敏感層掩模；以敏感層掩模為掩模，圖形化刻蝕初始敏感結構層，形成敏感質量塊單元和固定電極單元；去除敏感層掩模。

16、可選的，形成敏感質量塊單元的步驟中，包括：形成連接主輔助錨點與主縱梁的主梁解耦梁；主輔助錨點的寬度大于主縱梁的寬度；主輔助錨點的主體部與主縱梁的延伸方向垂直；主輔助錨點的主體部的兩端沿主縱梁的延伸方向延伸出部分長度的連接部，連接部通過主梁解耦梁連接主縱梁的端部；主梁解耦梁適于沿主縱梁的延伸方向發生形變，以使主梁解耦梁連接主縱梁的位置與主輔助錨點的主體部之間的距離在受到熱應力時發生敏感方向的變化。

17、可選的，形成敏感質量塊單元的步驟中，包括：在敏感質量塊在朝向主縱梁的延伸方向的側部形成彈性構件容置槽，彈性構件容置槽中設置有彈性構件，彈性構件兩端分別連接主縱梁和敏感質量塊，以使敏感質量塊適于在外界施加加速度下沿主縱梁延伸方向發生位移；彈性構件為折疊梁彈簧；折疊梁彈簧為蛇形折疊結構，沿主縱梁的延伸方向蛇形延伸，一端連接主縱梁的側部，另一端連接敏感質量塊的側部。

18、可選的，形成的敏感質量塊、折疊梁彈簧和活動電極共同構成中心對稱圖形，且中心對稱圖形的對稱中心與主錨點重合；形成的固定電極單元為多個，以主錨點為對稱中心，中心對稱分布；以主縱梁延伸方向為y軸，以垂直y軸且經過主錨點的中心的方向為x軸，敏感質量塊、折疊梁彈簧、活動電極和固定電極單元沿y軸對稱分布，且沿x軸對稱分布；相鄰的活動電極與固定電極構成電容；位于x軸同側的電容并聯連接；位于x軸兩側的電容，在外界施加加速度下的電容變化情況相反。

19、可選的，形成位于敏感質量塊兩側的固定電極單元的步驟中，還包括：還同時形成副縱梁；副縱梁與主縱梁平行，通過副錨點與基底層連接固定；在固定電極單元在沿副縱梁延伸方向的一側形成副輔助錨點，副縱梁還通過副輔助錨點與基底層連接固定；副輔助錨點為以副縱梁的中心軸為對稱軸的軸對稱結構；副輔助錨點為以副縱梁的中心軸為對稱軸的軸對稱結構；副輔助錨點與副縱梁的連接結構，在敏感質量塊單元的敏感方向的剛度小于非敏感方向的剛度。

20、可選的，形成位于敏感質量塊兩側的固定電極單元的步驟中，還包括：還同時形成連接副輔助錨點與副縱梁的副梁解耦梁；副輔助錨點的寬度大于副縱梁的寬度；副輔助錨點的主體部與副縱梁的延伸方向垂直；副輔助錨點的主體部的兩端沿副縱梁的延伸方向延伸出部分長度的連接部，連接部通過副梁解耦梁連接主縱梁的端部；副輔助錨點的主體部與基底層連接固定，副輔助錨點的連接部和副梁解耦梁懸空于基底層上；副梁解耦梁適于沿副縱梁的延伸方向發生形變，以使副梁解耦梁連接副縱梁的位置與副輔助錨點的主體部之間的距離在受到熱應力時發生敏感方向的變化。

21、可選的，固定電極單元形成有多個，以主錨點為對稱中心，中心對稱分布；其中，各固定電極單元的副錨點，以主錨點為對稱中心，中心對稱分布，同時，各固定電極單元的副輔助錨點，也以主錨點為對稱中心，中心對稱分布。

22、可選的，透過敏感結構層腐蝕功能層的步驟包括：在敏感結構層背向基底層一側形成釋放孔掩模；以釋放孔掩模為掩模，在敏感結構層中刻蝕出工藝釋放孔，工藝釋放孔暴露出對應位置的初始功能層；通過工藝釋放孔，腐蝕初始功能層，以在初始功能層中形成鏤空區域；鏤空區域在敏感結構層的投影，至少覆蓋敏感結構單元和固定電極單元；去除釋放孔掩模。

23、可選的，所述工藝釋放孔的最小線寬尺寸大于3μm；工藝釋放孔的長邊的尺寸大于短邊的尺寸的2-3倍。

24、可選的，在形成敏感質量塊單元和同時形成固定電極單元的步驟前，還包括：在初始敏感結構層背向基底層一側形成圖形化的導電介質層和第一鍵合介質層；導電介質層至少覆蓋預定形成敏感質量單元和預定形成固定電極單元的位置；第一鍵合介質層覆蓋對應邊緣區的位置；在形成敏感質量塊單元和同時形成固定電極單元的步驟中，還包括：將形成敏感質量塊單元時去除的部分對應的導電介質層一同去除，并將形成固定電極單元時去除的部分對應的導電介質層一同去除；在形成工藝釋放孔時，將預定形成工藝釋放孔對應位置的導電介質層一同去除。

25、可選的，mems加速度傳感器芯片的結構的制備方法，還包括以下步驟：形成上蓋，包括：提供蓋板基體；刻蝕蓋板基體，形成蓋板，以及突出蓋板一側表面的邊框；邊框與蓋板共同圍出一蓋板活動空間；在形成敏感結構層的過程中，還包括：形成鍵合外框，鍵合外框環繞圍設出主體活動空間，敏感質量塊單元和固定電極單元設置于主體活動空間；邊框適于與鍵合外框連接，活動空間對應主體活動空間，共同容置敏感質量塊單元和固定電極單元。

26、可選的，在蓋板的預設位置處形成盲孔，電鍍金屬填充盲孔形成導電電極；預設位置對應傳感器基體中的主錨點和副錨點的位置；形成導電電極后，在蓋板暴露導電電極一側形成圖形化的第二鍵合介質層；第二鍵合介質層與導電電極連接。

27、可選的，將傳感器基體與上蓋通過第一鍵合介質層和第二鍵合介質層鍵合連接；鍵合后，導電電極對應主錨點和副錨點，通過第二鍵合介質層連接導電介質層；上蓋的邊框與傳感器基體的鍵合外框通過第一鍵合介質層和第二鍵合介質層鍵合連接；活動空間對應主體活動空間，與功能層的鏤空空間共同容置敏感質量塊單元和固定電極單元。

28、本發明的技術方案有益效果在于：

29、本發明提供的mems加速度傳感器芯片的結構，敏感結構層包括敏感質量塊單元和固定電極單元；固定電極單元與基底層固定連接；敏感質量塊的兩側設置活動電極，固定電極單元設置有固定電極，活動電極和固定電極形成差分電容結構。敏感質量塊通過彈性構件與主縱梁彈性連接，主縱梁通過主錨點與基底層固定連接。如此可實現敏感質量塊適于在外界施加加速度下沿主縱梁延伸方向發生位移，帶動活動電極發生位移，從而可以實現差分電容式的加速度傳感測量。差分電容式的加速度傳感測量相對于單電容式的加速度傳感測量，同樣的極板位移量其電容變化量提高一倍、靈敏度增加一倍、非線性度誤差表現更好。在此基礎上，在主錨點沿主縱梁延伸方向的兩側分別設置有主輔助錨點，主縱梁還分別通過主輔助錨點與基底層連接固定。主輔助錨點為以主縱梁的中心軸為對稱軸的軸對稱結構；主輔助錨點與主縱梁的連接結構，在敏感質量塊單元的敏感方向的剛度小于非敏感方向的剛度。如此，通過主輔助錨點的軸對稱設置，由于在敏感質量塊單元的敏感方向的剛度小于非敏感方向的剛度，其在非敏感方向(如主縱梁延伸方向以外的方向)對主縱梁提供支撐，使其在收到非敏感方向的干擾時，主縱梁也不易發生非敏感方向的形變位移，進而使得敏感質量塊不易發生非敏感方向的形變位移。而在敏感方向上，也可以由主輔助錨點與主縱梁的連接結構消解熱應力產生的形變，使得主縱梁本身不易發生熱應力影響下的形變，進而使得活動電極受加速度影響發生的位移不易受熱應力影響，從而使得加速度的測量不易受到熱應力影響的干擾，從而提高了mems加速度傳感器芯片的熱穩定性。

30、本發明提供的mems加速度傳感器芯片的結構的制備方法，可制造本發明提供的mems加速度傳感器芯片的結構。形成的mems加速度傳感器芯片的結構，敏感結構層包括敏感質量塊單元和固定電極單元；固定電極單元與基底層固定連接；敏感質量塊的兩側設置活動電極，固定電極單元設置有固定電極，活動電極和固定電極形成差分電容結構。敏感質量塊通過彈性構件與主縱梁彈性連接，主縱梁通過主錨點與基底層固定連接。如此可實現敏感質量塊適于在外界施加加速度下沿主縱梁延伸方向發生位移。如此可實現敏感質量塊適于在外界施加加速度下沿主縱梁延伸方向發生位移，帶動活動電極發生位移，從而可以實現差分電容式的加速度傳感測量。差分電容式的加速度傳感測量相對于單電容式的加速度傳感測量，同樣的極板位移量其電容變化量提高一倍、靈敏度增加一倍、非線性度誤差表現更好。在此基礎上，在主錨點沿主縱梁延伸方向的兩側分別設置有主輔助錨點，主縱梁還分別通過主輔助錨點與基底層連接固定。主輔助錨點為以主縱梁的中心軸為對稱軸的軸對稱結構；主輔助錨點與主縱梁的連接結構，在敏感質量塊單元的敏感方向的剛度小于非敏感方向的剛度。如此，通過主輔助錨點的軸對稱設置，由于在敏感質量塊單元的敏感方向的剛度小于非敏感方向的剛度，其在非敏感方向(如主縱梁延伸方向以外的方向)對主縱梁提供支撐，使其在收到非敏感方向的干擾時，主縱梁也不易發生非敏感方向的形變位移，進而使得敏感質量塊不易發生非敏感方向的形變位移。而在敏感方向上，也可以由主輔助錨點與主縱梁的連接結構消解熱應力產生的形變，使得主縱梁本身不易發生熱應力影響下的形變，進而使得活動電極受加速度影響發生的位移不易受熱應力影響，從而使得加速度的測量不易受到熱應力影響的干擾，從而提高了mems加速度傳感器芯片的熱穩定性。